低功耗CPU简介——杨劲松

现在计算机CPU的运行速度越来越快，同时CPU消耗的功率也越来越大，随之而来的发热量也越来越高，最新的Intel P4 CPU的功耗已经超过了100W。系统的散热性能成为了影响系统稳定性的一个重要指标，如果系统散热性能不好，就会影响整个系统得稳定性。我们经常会遇到因为CPU散热风扇停止工作而造成系统崩溃。在很多工业控制领域，对系统的稳定性要求很高，但并不需要特别强大的CPU计算能力。低功耗CPU在这方面很符合工控系统的要求，因为这些CPU在提供必要的计算能力的同时发热量很小，只需合适的散热片就可以正常工作，不用使用风扇主动散热，减少了故障发生的几率，大大提高了系统的稳定性。在普通应用中，我们使用的CPU主要为Intel和AMD，而在低功耗CPU方面，工控领域使用最多的是Intel、Transmate、VIA的CPU，下面就这几家的低功耗CPU作简要的介绍。

一、Intel
Intel作为全球第一大CPU生产厂商，在工控领域较为常见的低功耗CPU是ULV Celeron400/650。
ULV Cerlon采用x86架构，和普通的Celeron处理器类似，拥有256K二级高速缓存，但其核心电压比普通Celeron低的多。其中ULV Celeron 650M为1.1V，ULV Celeron 400的核心电压更是低至0.95V，因此发热量很小。同时在处理器的能源管理上和普通Celeron不同，其把处理器分为六种工作状态：Normal，Auto Halt，Quick Start，HALT/Grant Snoop和Deep Sleep。以下为CPU在不同状态之间的转换示意图:

(图片暂时无法上传，见谅)

Auto halt状态使得处理器在空闲时，通过软件发送HLT指令，使CPU关闭空闲的时钟；当计算机进入休眠状态时，CPU启动QuickStart模式，消耗很少的电力，计算机一旦被唤醒，马上转入Normal模式；而在Deep Sleep模式下，CPU部分单元的供电完全被切断，消耗极少的电力。通过在不同模式之间的转换，使CPU在不同的工作状态下能达到最佳的性能/能耗比。下表为ULV Celeron在不同状态下的功耗：
处理器状态 CPU 典型功耗 最大功耗
Normal 650 MHz 400 MHz 7.00W3.40W 8.30W4.23W
Auto Halt 650 MHz 400 MHz 1.9W1.0W
Quick Start 650 MHz 400 MHz 1.7W0.9W
Deep Sleep 650 MHz 400 MHz 1.6W0.7W

二、Transmate
作为一家专注于低功耗CPU的研发和生产的CPU厂商，对于大家来说可能比较陌生。而其推出的CPU更是很多人都闻所未闻的产品。Transmate的CPU现在有两个系列：强调性能并注重节电性的Efficeon；强调低功耗的Crusoe。工控中主要使用Crusoe系列CPU—TM5800。TM5800是兼容x86的全新架构的微处理器，采用了0.13微米的制作工艺，具有512KB的二级高速缓存，而且工作电压非常低，仅为0.9-1.3V，采用硬件和软件混合的结构，将处理器的很多功能交由软件来处理。既满足满载时对性能的需求，又可控制CPU空载时的能量消耗。下图为Crusoe CPU系统架构：

Transmate处理器的核心架构与传统x86相比是相当简单的。与传统处理器的硬件执行逻辑、运算、移位和浮点指令单元不同，Transmate采用了与众不同的设计理念。它采用代码融合技术来帮助处理器执行x86指令。基于这样的思路，制造Transmate CPU的晶体管数目大大减少，因此具有低功耗和低发热量的特点，代码融合软件还可以通过硬件进一步调节处理器的功耗。同时它采用独有的Longrun节能技术，持续不断地监视CPU的工作，动态地改变CPU的核心电压和运行频率 ，一旦运行的条件改变就立即动态交换这些信息，然后找出合适的工作的最低频率/电压点来代替刚才的工作频率/电压点，使处理器不会消耗无谓的功率，满足移动设备长时间工作的需要。TM5800 CPU还整合了北桥控制芯片，这样不但可以减少构成完整系统所需的芯片数目，而且可以减少耗电量，最重要的是可以减少最终产品的尺寸和成本。

下表为TM5800在不同状态下的功耗：
处理器状态 CPU 频率 核心电压 最大功耗
Norma TM5800-800 MHz 800 MHz 1.20 V 5.5 W
Auto Hal TM5800-800-ULP 300 MHz 0.80 V 0.35W
Quick Start TM5800-800-ULP 300 MHz 0.80 V 0.3W
Deep Sleep TM5800-800-ULP 0.80 V 0.15W

三、VIA
自从1996年VIA收购了Cyrix公司后，VIA便成了一家可以从主板、显示芯片和处理器提供整体解决方案的公司。在桌面市场，VIA生产的CPU无法和Intel、AMD的CPU竞争。因此VIA的CPU专注于嵌入式系统、便携式设备的应用。
VIA的低功耗CPU就是它的EDEN系列。EDEN系列CPU分为EDEN-N、EDEN-ESP两种。我们最常用的是EDEN-ESP（Embedded System Platform Processor）处理器，
VIA Eden ESP 3000 (4.5 x 66-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 4000 (4.0 x 100-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 5000 (4.0 x 133-MHz bus) 1.20V
VIA Eden ESP 6000 (4.5 x 133-MHz bus) 1.20V
VIA Eden ESP 6000 (5.0 x 133-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 7000 (5.5 x 133-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 8000 (6.0 x 133-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 10000 (7.5 x 133-MHz bus) 1.05V
VIA Eden ESP 10000 (5.0 x 200-MHz bus) 1.05V
ESP系列CPU工作电压为1.05V，和Intel ULV Celeron一样采用x86架构，采用VIA全新Nehemiah核心，具有一些新的特性：PadLock数据加密引擎、先进的CoolStream架构、StepAhead™ 先进的分支预测功能。CPU内集成64K二级高速缓存，支持MMX、SSE、3DNOW！多媒体指令集。
PadLock数据加密引擎(Data Encryption Engine)使VIA ESP系列CPU成为市场上第一个内建嵌入式资料保护功能的x86处理器，能有效加强保护企业机密以及个人资料的安全。使得机密的资料无论是保存在计算机里、或者是透过局域网和因特网传输时，都能拥有值得信赖的安全保护；同时，PadLock也将使得许多专业的资料保全应用系统更加强大，包括更理想的高负载信息编密系统、以及更安全的线上交易机制等等。 PadLock的核心为一组高端的随机数值生成器(Random Number Generator)，利用芯片上的无规律的电子杂讯，计算出对应资料本身的随机数值作为加密编码之用；而产品研发人员则可藉由新的X86指令，直接由硬件取得这些随机数值，无须透过软件的驱动程序，这种纯硬件的设计，比过去软硬件组合的资料加密架构更有效率、更可靠。另外，PadLock也支持多种运作模式，提供由每秒钟750K位元至6百万位元不等的各种效能。
新的处理核心具备先进的CoolStream处理器架构，即可提供充沛的运算动力，同时保持超低功率消耗和低发热量等特色。而搭配VIA Apollo CLE266系统芯片组、在主流应用软件上则有20%的效能提升，至于在3D图形的程序中，效能提升的程度甚至可达到73%。下表为ESP 7000（5.5 x 133-MHz bus）在不同工作状态下的功耗：

处理器状态 典型功耗 最大功耗
Normal Mode 4.4W 6.0W
QuickStart 1.00W
Sleep 0.83W
Deep Sleep 0.79W



以上这些处理器在工控领域得到了广泛运用，主要使用在一些Fanless（无风扇）主板上。一方面提供强大的运算能力，另一方面又具有很好的稳定性。现在低功耗CPU中又有了一些新的产品，提供更为强大的性能，比如Intel Pentium M系列、AMD的Geode NX系列。用户在实际应用中，都可以从这些产品中找到合适自己应用的产品。